二氧化锰及纳米材料电极材料制作与电化学性能

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1、二氧化锰及纳米材料电极材料制作与电化学性能第一章绪论1.1超级电容器的发展状况人类目前面临着化石能源紧缺的严重问题，化石能源价格不断攀升以及环境日益恶化迫使人们一方面寻找替代化石燃料的可再生能源，如太阳能、风能、地热能；另一方面开发新的能源存储技术，提高能源利用效率，以满足日益复杂的能源需求模式。作为一种新型的储能装置，超级电容器具有功率密度高、寿命长、使用温度宽以及充放电迅速等优异特性受到专家与学者们的广泛关注人类早在十八世纪中叶就制造出了能够储存电能的容器（莱顿瓶系随后在1879年Hehnholz发现了电化学界面的双电层

2、电容性质。1957年，Becker申请了第一个由高比表面积活性炭作电极材料的超级电容器专利，人类开始研究如何将大量的电能存储在物质的表面，且能够像电池一样用于实际，从此揭开了超级电容器研究开发的序幕⑴。1962年标准石油公司(SOHIO)生产了一种6V的以活性碳作为电极材料，以硫酸的水溶液作为电解质的超级电容器，1969年该公司首先实现了碳材料超级电容器的商业化。1979年日本电气株式会社(NEC)开始商业化大规模生产超级电容器，此后超级电容器从实验室走出进入了广阔的商业化运用领域。从上世纪90年代开始，人们考虑将超级电容器

3、和蓄电池联合使用组成复合电源，以满足电动车辆和高性能脉冲系统的要求。同时超级电容器在通讯科技、信息技术、家用电器等各种工业领域以及电动汽车、航空航天等领域都有广阔的应用前景，也己经受到了世界各国的普遍重视。就目前超级电容器产业化生产而言，日本、美国和俄罗斯所占的份额遥遥领先，生产的产品几乎占据了整个超级电容器市场。在全球的超级电容器生产总量中，日本占有率超过90%。与国外相比，国内在超级电容器的研究上起步较晚，始于20世纪90年代末，目前防化研究院、复旦大学、清华大学、厦门大学、中南大学等都有研制超级电容器的课题组，且取得了

4、丰富的研究成果；天津力神公司、上海奥威科技开发有限公司等在超级电容器的研究方面也取得了一定成果。1.2超级电容器的储能机理目前，超级电容器产品主要分为三类，基于法拉第准电容储能原理的称为法拉第准电容器；基于电化学双层电容储能原理的称为电化学双层电容器；把二者结合起来做成的混合超级电容器。超级电容器单体的基本结构由集流体、电解液、电极和隔膜四个部分构成，如阁1.2示。继双电层电容器后，又发展了法拉第准电容器。它是一种在电极表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附/脱附或者氧化/还原反应

5、，进行能量存储的电容器。法拉第准电容器是存在于电池和统电容器之间一种十分有趣的中间状态，电极活性物质发生了电子传递的法拉第反应，但是它的充放电行为却更像一个电容而不是一个普通电池，具体表现为：电容器的电压随充入或者放出电荷量的多少呈线性的变化。碳素电极材料超级电容器主要是利用双电层原理储能，其比表面积是决定电容器容量的重要因素。研究发现，虽然多孔的碳材料具有高比表面积，但实际利用率并不高，因为多孔碳材料中孔径大小不一样，分为微孔(<2nm)、中孔(2-50nm)、大孔(>50nm)，而只有屮孔才能对双电屋储能做出

6、贡献，所以在提高比表面积的同时要调控孔径分布除此之外，碳材料的导电率、表面性能（官能团）等对超级电容器性能也有影响。现在碳素材料研究的热点主要集中在具有内阻较小且高比表面枳的多孔碳和对碳基材料进行改性研究等方面，例如石墨稀、碳纳米管、多孔炭等碳基材料。第二章实验技术和仪器2.1材料的表征方法X射线技术衍射（X-RayDiffraction,XRD)是确定物质结构的一种简单有效的实验手段，也是材料结构研究中最常用的表征手段之一。XRD是利用晶体的周期性结构能够对X-射线产生衍射效应，晶体中特定的晶面组成具有其特定衍射特征，通过

7、衍射现象获得其衍射方向和衍射强度的信息，晶体的晶胞参数和空间群确定衍射方向，而衍射强度取决于原子种类及其分布，包括原子分数坐标，占有率，热振动参数等。衍射方向和衍射强度的信息可以用来分析材料的晶体结构、空间群、晶胞参数等信息。晶体的XRD图谱为指纹图谱，因此，通过测试衍射谱图，可以确认材料的物相，计算晶胞参数，对XRD进行精修后甚至可以获得晶体中原子的位置和分布等微观信息。本论文釆用理学D/Max-2400型本Rigaku公司的X射线衍射仪（福射源为Cu、Ka,A=0.15418nm)分析产物的微观结晶结构。粉体的物相分析在

8、D/Max-2550型X-射线广角衍射仪上进行。管压40kV,电流20mA，扫描速度：10.0。/min，扫描范围：10-80°。2.2电化学测量技术位流充放电测试是使处于特定充/放电状态下的被测电极或电容器在位电流条件下充放电，考察其电位随时间的变化，从而研究电极或电容器的性能，